JP2008113143A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも一部が金属で囲まれた空間内のいずれの箇所でも良好な通信品質を提供可能なアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】航空機等の少なくとも一部が金属で囲まれた空間内に設置され、ＭＩＭＯ方式を利用した無線通信システムで用いられるアンテナ装置である。無線通信システムは、航空機の客室の天井裏に設けられたサーバ、接続ケーブル、及び複数のＷＡＰと、乗客の椅子付近に設けられた複数のクライアント端末とを備える。アンテナ装置は、ＷＡＰのアンテナとして用いられ、複数のダイポールアンテナを有するダイポールアレイアンテナを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも一部が金属で囲まれた空間内に設置され、ＭＩＭＯ方式を利用した無線通信システムで用いられるアンテナ装置に関する。

ＩＦＥ（In-Flight Entertainment）システムは、航空機等の客室で乗客の端末等に映画や音楽、ゲーム等を配信するシステムである。ＩＦＥシステムを構築するためには、客室の天井裏に同軸ケーブルやサーバを設け、乗客の椅子近辺にクライアント端末（SEB：シートエンタテイメントBOX）を設け、サーバとクライアント端末はスイッチングハブ等を介して有線で接続される。接続ケーブルは、耐久性及び耐火性の向上を目的とした保護カバーで覆われる必要があるため、通常の接続ケーブルよりも重く、容易に変形できない。このため、客席の配置変更を行う際、接続ケーブルを交換する必要があるため手間及び費用がかかる。

図１は、無線通信を利用したＩＦＥシステムを示す図である。図１に示すＩＦＥシステムは、客室１０の天井裏に設けられるサーバ１１、接続ケーブル１２及び複数のＷＡＰ（Wireless Access Points）１３と、乗客の椅子付近に設けられる複数のクライアント端末１４とを備える。サーバ１１には接続ケーブルを介して複数のＷＡＰ１３が接続されている。ＷＡＰ１３及びクライアント端末１４は、図示しないワイヤレスネットワークインターフェイス回路及びアンテナを有し、ＩＥＥＥ８０２．１１a、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ又はＩＥＥＥ８０２．１１ｇによる無線ＬＡＮを利用した無線通信を行うことができる。

複数のＷＡＰを利用する通信システムは、隣接チャネルへの漏洩や、壁や床からの反射波の干渉により通信品質が劣化する問題を有する。このため、送信電力やアンテナの指向性、ＷＡＰの配置による調整を行う必要があるが、航空機等の金属で囲まれた環境下において、その調整は難しい。

特表２００６−５０６８９９号公報で公開されているブロードバンドワイヤレス配信システムでは、ＷＡＰのアンテナとして、図１０に示すように、４つの長方形のアレイエレメントを含むパッチアンテナを利用している。図１１及び図１２に、図１０に示したパッチアンテナの指向性を示す。図１１はパッチアンテナの第１の垂直面の指向性を示す図であり、図１２はパッチアンテナの第１の垂直面と直交する第２の垂直面の指向性を示す図である。なお、ＷＡＰは、パッチアンテナの第１の垂直面が航空機の左右方向、第２の垂直面が航空機の前後方向となるように設置される。また、ＷＡＰは、図１３に示すように、客室にある２列の通路の内の一方の通路のほぼ真上の天井裏に設けられる。

特表２００６−５０６８９９号公報 米国特許出願公開第２００４−００９８７４５号明細書 国際公開第ＷＯ２００４／０４７３７３号パンフレット

上記説明したパッチアンテナは、図１２に示すように、第２の垂直面（前後方向）の指向性が狭いため、各ＷＡＰの送信電力を調整することによって、隣接するＷＡＰの信号との混信を避けることができる。一方、図１１に示すように、第１の垂直面の指向性は扇形を描くが、半値角が約９０度と狭い。図１４に示すように、一方の通路の真上の天井裏に設けられたＷＡＰのパッチアンテナから放射された電波が十分な電界強度で最も離れた窓際まで行きわたるためには、第１の垂直面で半値角が１４４度（＝７２×２）程度でなければならない。しかし、実際には第１の垂直面の半値角は９０度であるため、ＷＡＰから最も離れた窓際の受信電界強度は低い。

この問題を解決するために、窓際付近の受信電界強度を上げるためＷＡＰからの送信電力を上げると、隣接するＷＡＰの信号との混信が生じてしまう。また、図１５に示すように、ＷＡＰの配置を変えても隣接するＷＡＰの信号との混信が生じてしまう。

本発明の目的は、少なくとも一部が金属で囲まれた空間内のいずれの箇所でも良好な通信品質を提供可能なアンテナ装置を提供することである。

本発明は、少なくとも一部が金属で囲まれた空間内に設置され、ＭＩＭＯ方式を利用した無線通信システムで用いられるアンテナ装置であって、複数のダイポールアンテナを有するダイポールアレイアンテナを備えたことを特徴とするアンテナ装置を提供する。

上記アンテナ装置では、前記ダイポールアレイアンテナは３つのダイポールアンテナを有する。

上記アンテナ装置は、前記複数のダイポールアンテナの各々に信号を分配する分配器をさらに備え、前記ダイポールアレイアンテナ及び前記分配器は同一の基板上に設けられ、各ダイポールアンテナは前記分配器のグランドパターンの近傍に設けられた。

上記アンテナ装置では、前記分配器のグランドパターンの端から各ダイポールアンテナの中心までの電気長が１／４波長である。

上記アンテナ装置では、前記ダイポールアレイアンテナは、第１の垂直面で無指向性であり、前記第１の垂直面と直交する第２の垂直面の指向性を表す曲線は８の字形である。

上記アンテナ装置では、前記ダイポールアレイアンテナの第１の垂直面の指向性を表す曲線はカージオイド形であり、前記第１の垂直面と直交する第２の垂直面の放射パターンは、特定の方向にメインローブが伸び、他の方向ではヌルポイントである。

上記アンテナ装置では、前記空間は航空機の胴体の内部空間である。

上記アンテナ装置では、前記無線通信システムはアクセスポイント及びクライアント端末を含み、前記アクセスポイント側のアンテナとして用いられる。

本発明に係るアンテナ装置によれば、少なくとも一部が金属で囲まれた空間内のいずれの箇所でも良好な通信品質を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のＩＦＥシステムは、図１で示した無線通信を利用したＩＦＥシステムと同様に、サーバ１１と、接続ケーブル１２と、アンテナ装置１５が接続された複数のＷＡＰ１３と、複数のクライアント端末１４とを備える。サーバ１１、接続ケーブル１２及び複数のＷＡＰ１３は、航空機やバス、船舶、電車等の客室１０の天井裏に設けられ、サーバ１１と各ＷＡＰ１３が接続ケーブル１２を介して接続されている。また、クライアント端末１４は、乗客の椅子付近に設けられる。ＷＡＰ１３及びクライアント端末１４は、図示しないワイヤレスネットワークインターフェイス回路を有し、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎによる無線ＬＡＮを利用した無線通信を行うことができる。すなわち、ＷＡＰ１３及びクライアント端末１４は、ＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）方式を利用した無線通信を行う。このため、ＷＡＰ１３及びクライアント端末１４は、複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナを利用する。

図２に示すように、ＷＡＰ１３は無線モジュール２１を有し、アンテナ装置１５は３分配器３１及び３つのダイポールアンテナ３５を有するダイポールアレイアンテナ３３を備える。３分配器３１とダイポールアレイアンテナ３３とは同軸ケーブル３２を介して接続されている。ＷＡＰ１３の無線モジュール２１から出力された信号がアンテナ装置１５に入力されると、３分配器３１で同相の信号に３分配される。３分配された各信号は、同軸ケーブル３２を介して各ダイポールアンテナ３５に伝送される。

図３は、第１の実施形態のアンテナ装置１５が有する３分配器３１及びダイポールアレイアンテナ３３のパターンを示す図である。図３に示すように、３分配器３１とダイポールアレイアンテナ３３は異なる基板上にそれぞれ構成されている。ダイポールアレイアンテナ３３の基板４１には、３つのダイポールアンテナ３５と、３つのバラン３６とが構成されている。３分配器３１は１つの入力端子と３つの出力端子を有し、各端子間にはグランドパターン５１が構成されている。３分配器３１の各出力端子は、同軸ケーブル３２及びバラン３６を介してダイポールアレイアンテナ３３の各ダイポールアンテナに接続されている。なお、各同軸ケーブル３２の長さは、３つのダイポールアンテナ３５から出力される信号の位相差が１０度以下となるよう調整されている。

図４及び図５に、第１の実施形態のアンテナ装置１５の指向性を示す。図４はアンテナ装置１５の第１の垂直面の指向性を示す図であり、図５はアンテナ装置１５の第１の垂直面と直交する第２の垂直面の指向性を示す図である。なお、アンテナ装置１５は、アンテナ装置１５の第１の垂直面が航空機の左右方向、第２の垂直面が航空機の前後方向となるように設置される。また、ＷＡＰ１３及びアンテナ装置１５は、図６に示すように、客室１０にある２列の通路の内の一方の通路のほぼ真上の天井裏に設けられる。

図５に示すように、第２の垂直面（前後方向）の指向性を表す曲線は８の字形であり指向性が狭い。このため、各ＷＡＰの送信電力を調整することによって、隣接するＷＡＰの信号との混信を避けることができる。一方、図４に示すように、第１の垂直面（左右方向）では無指向性である。このため、図６に示すように、１つのＷＡＰ１３及びアンテナ装置１５は、客室１０の前後方向に約３列分の客席を含むゾーン６１をカバーする。なお、隣接するゾーンでは混信等を防ぐため３〜４チャネル離れたチャネルが割り当てられる。

本実施形態では、ゾーン内のアンテナ装置１５から最も離れた窓際に近いクライアント端末１４も十分な電界強度で信号を受信できるよう送信電力を調整する。但し、本実施形態では第１の垂直面の指向性がないため、図１１に示した半値角が約９０度のパッチアレイアンテナと比較して、窓際に近いクライアント端末１４は十分な電界強度で信号を受信することができる。

また、本実施形態のＩＦＥシステムは、少なくとも一部が金属で囲まれた空間内に設けられているため、アンテナ装置１５から放射された電波は天井や床、壁等で反射する。ＳＩＳＯ方式ではこのような反射波が通信品質の劣化の要因となるが、本実施形態ではＭＩＭＯ方式を利用しているため、反射波は有効活用される。すなわち、ＭＩＭＯ方式では反射による経路差が積極的に活用される。このため、本実施形態のように、少なくとも一部が金属で囲まれた空間内で、複数のアンテナを有するアンテナ装置１５とＭＩＭＯ方式とを併用することで、両者の特性を活かすことができる。

本実施形態では、ＷＡＰ１３とアンテナ装置１５は別の装置として構成されているが、ＷＡＰ１３の筐体の中にアンテナ装置１５が設けられても良い。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のＩＦＥシステムが第１の実施形態のＩＦＥシステムと異なる点はアンテナ装置である。第１の実施形態では、アンテナ装置１５が有する３分配器３１とダイポールアレイアンテナ３３とはそれぞれ別々の基板に構成されているが、第２の実施形態では、３分配器３１とダイポールアレイアンテナ３３は同一の基板上に構成されている。また、第１の実施形態では、３分配器３１とダイポールアレイアンテナ３３とが同軸ケーブルによって接続されているが、第２の実施形態では、直接接続されている。

図７は、第２の実施形態のアンテナ装置７５が有する３分配器３１及びダイポールアレイアンテナ３３のパターンを示す図である。図７に示すように、３分配器３１とダイポールアレイアンテナ３３は同一の基板８１上に構成されている。３分配器３１及びダイポールアレイアンテナ３３のパターン自体は第１の実施形態と同様である。但し、本実施形態では、ダイポールアレイアンテナ３３は、３つのダイポールアンテナ３５の各中心（給電点）が３分配器３１のグランドパターン５１の端から１／４波長の電気長程度離れた位置に設けられている。例えば、アンテナ装置７５が５ＧＨｚ帯の周波数に対応し、低損失である誘電率２．１程度のテフロン（登録商標）基板が用いられる場合、グランドパターン５１の端から約１５ｍｍ離れた位置にダイポールアレイアンテナ３３が設けられる。

本実施形態のように、アンテナの近傍にグランドパターンがある場合、そのグランドパターンは無給電素子として作用し、電波の再放射を行う。また、本実施形態では、ダイポールアンテナ３５と３分配器３１とが１／４波長離れているため、ダイポールアンテナ３５から放射された直接の電波とグランドパターン５１から再放射された電波とが重なって打ち消しあう。このため、ダイポールアンテナ３５から３分配器３１に向かう方向の指向性は、ほぼ電波が放射しないヌルポイントとなる。なお、航空機の客室１０の天井裏はケーブルやダクト等で占められているため、天井での反射はあまりない。このため、アンテナ装置７５は、ヌルポイント側が天井側となるように設置される。

図８及び図９に、第２の実施形態のアンテナ装置７５の指向性を示す。図８はアンテナ装置７５の第１の垂直面の指向性を示す図であり、図９はアンテナ装置７５の第１の垂直面と直交する第２の垂直面の指向性を示す図である。なお、アンテナ装置７５も、第１の実施形態と同様に、アンテナ装置７５の第１の垂直面が航空機の左右方向、第２の垂直面が航空機の前後方向となるように設置される。

図９に示すように、第２の垂直面（前後方向）の放射パターンは、特定の方向にメインローブが伸び、他の方向ではヌルポイントである。指向性が狭いため、第１の実施形態と同様に、各ＷＡＰの送信電力を調整することによって、隣接するＷＡＰの信号との混信を避けることができる。一方、図８に示すように、第１の垂直面（左右方向）の指向性を表す曲線はカージオイド形であり、半値角が約１５０度と広い。このため、アンテナ装置７５から最も離れた窓際に近いクライアント端末１４も十分な電界強度で信号を受信できる。

また、本実施形態のアンテナ装置７５では、３分配器３１とダイポールアレイアンテナ３３とが同軸ケーブル等によって接続されておらず直接接続されているため、各チャネルで使用する周波数の違いによる安定性と低コストでの生産が可能となる。また、第１の実施形態では必要であった同軸ケーブルの長さの管理の必要がないため設計が容易である。

以上説明した実施形態では、分配数を３、アンテナ装置が有するダイポールアンテナの数も３つとしているが、これに限定されず、２以上であれば良い。また、上記実施形態では、図６に示すように、ＷＡＰ１３及びアンテナ装置１５が一方の通路のほぼ真上の天井裏に設けられると説明したが、通路の真上には限らず、さらには天井裏にも限られない。

本発明に係るアンテナ装置は、少なくとも一部が金属で囲まれた空間内に設置され、ＭＩＭＯ方式を利用した無線通信システムで用いられる際に、当該空間中のいずれの箇所でも良好な通信品質を提供するアンテナとして有用である。

無線通信を利用したＩＦＥシステムを示す図 第１の実施形態のＷＡＰ及びアンテナ装置を示すブロック図 第１の実施形態のアンテナ装置が有する３分配器及びダイポールアレイアンテナのパターンを示す図 第１の実施形態のアンテナ装置の第１の垂直面の指向性を示す図 第１の実施形態のアンテナ装置の第２の垂直面の指向性を示す図 航空機の客室とＷＡＰ及びアンテナ装置の配置を示す図である。 第２の実施形態のアンテナ装置が有する３分配器及びダイポールアレイアンテナのパターンを示す図 第２の実施形態のアンテナ装置の第１の垂直面の指向性を示す図 第２の実施形態のアンテナ装置の第２の垂直面の指向性を示す図 ４つの長方形のアレイエレメントを含むパッチアンテナを示す図 パッチアンテナの第１の垂直面の指向性を示す図 パッチアンテナの第１の垂直面と直交する第２の垂直面の指向性を示す図 客室にある２列の通路の内の一方の通路のほぼ真上の天井裏に設けられたＷＡＰの配置を示す上面図 客室にある２列の通路の内の一方の通路のほぼ真上の天井裏に設けられたＷＡＰの配置を示す断面図 客室にある２列の通路の内の一方の通路のほぼ真上の天井裏に設けられたＷＡＰの他の配置を示す上面図

符号の説明

１０ 客室
１１ サーバ
１２ 接続ケーブル
１３ ＷＡＰ
１４ クライアント端末
１５，７５ アンテナ装置
２１ 無線モジュール
３１ ３分配器
３２ 同軸ケーブル
３５ ダイポールアレイアンテナ
３３ ダイポールアンテナ
３６ バラン
５１ グランドパターン

Claims (8)

1. 少なくとも一部が金属で囲まれた空間内に設置され、ＭＩＭＯ方式を利用した無線通信システムで用いられるアンテナ装置であって、
   複数のダイポールアンテナを有するダイポールアレイアンテナを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記ダイポールアレイアンテナは３つのダイポールアンテナを有することを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記複数のダイポールアンテナの各々に信号を分配する分配器をさらに備え、
   前記ダイポールアレイアンテナ及び前記分配器は同一の基板上に設けられ、各ダイポールアンテナは前記分配器のグランドパターンの近傍に設けられたことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項３に記載のアンテナ装置であって、
   前記分配器のグランドパターンの端から各ダイポールアンテナの中心までの電気長が１／４波長であることを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記ダイポールアレイアンテナは、第１の垂直面で無指向性であり、前記第１の垂直面と直交する第２の垂直面の指向性を表す曲線は８の字形であることを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記ダイポールアレイアンテナの第１の垂直面の指向性を表す曲線はカージオイド形であり、前記第１の垂直面と直交する第２の垂直面の放射パターンは、特定の方向にメインローブが伸び、他の方向ではヌルポイントであることを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記空間は航空機の胴体の内部空間であることを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記無線通信システムはアクセスポイント及びクライアント端末を含み、前記アクセスポイント側のアンテナとして用いられることを特徴とするアンテナ装置。

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